The Reason for Beam Cooling: Some of the Physics that Cooling Allows Eagle Ridge, Galena, Il. USA September 18 - 23, 2005 Walter Oelert IKP – Forschungszentrum Jülich Ruhr – Universität Bochum CERN obvious: cooling and control of cooling is the essential reason for our existence, gives us the opportunity to do and talk about physics that cooling allows • 1961 – 1970 • 1901 – 1910 1961 – Robert Hofstadter (USA) 1901 – Wilhelm Conrad R¨ontgen (Deutschland) 1902 – Hendrik Antoon Lorentz (Niederlande) und Rudolf M¨ossbauer (Deutschland) Pieter (Niederlande) 1962 – Lev Landau (UdSSR) 1903 – Antoine Henri Becquerel (Frankreich) 1963 – Eugene Wigner (USA) und Marie Curie (Frankreich) Pierre Curie (Frankreich) Maria Goeppert-Mayer (USA) und J. Hans D. Jensen (Deutschland) 1904 – John William Strutt (Großbritannien und Nordirland) 1964 – Charles H. Townes (USA) , 1905 – Philipp Lenard (Deutschland) Nikolai Gennadijewitsch Bassow (UdSSR) und 1906 – Joseph John Thomson (Großbritannien-und-Nordirland) Alexander Michailowitsch Prochorow (UdSSR) und 1907 – Albert Abraham Michelson (USA) 1965 – Richard Feynman (USA), Julian Schwinger (USA) Shinichiro Tomonaga (Japan) 1908 – Gabriel Lippmann (Frankreich) 1966 – Alfred Kastler (Frankreich) 1909 – Ferdinand Braun (Deutschland) und Guglielmo Marconi (Italien) 1967 – Hans Bethe (USA) 1910 – Johannes Diderik van der Waals (Niederlande) 1968 – Luis W. Alvarez (USA) 1969 – Murray Gell-Mann (USA) 1970 – Hannes AlfvAn¨ (Schweden) • 1911 – 1920 Louis N¨oel (Frankreich) 1911 – Wilhelm Wien (Deutschland) 1912 – Gustaf Dal¨an (Schweden) • 1971 – 1980 1913 – Heike Kamerlingh Onnes (Niederlande) 1914 – Max von Laue (Deutschland) 1971 – Dennis Gabor (Großbritannien-und-Nordirland) 1915 – William Henry Bragg (Großbritannien-und-Nordirland und 1972 – John Bardeen (USA), Leon Neil Cooper (USA) und William Lawrence Bragg (Großbritannien-und-Nordirland) Robert Schrieffer (USA) 1916 nicht verliehen 1973 – Leo Esaki (USA) und Ivar Giaever (USA) 1917 – Charles Glover Barkla (Großbritannien-und-Nordirland) (verliehen 1918) Brian Davon Josephson (Großbritannien-und-Nordirland) 1918 – Max Planck (Deutschland)(verliehen 1919) 1974 – Martin Ryle (Großbritannien-und-Nordirland) und 1919 – Johannes Stark (Deutschland) Antony Hewish (Großbritannien-und-Nordirland) 1920 – Charles Edouard Guillaume (Schweiz) 1975 – Aage N. Bohr (D¨anemark), Ben R. Mottelson (D¨anemark) und James Rainwater (USA) 1976 – Burton Richter (USA) und Samuel C. C. Ting (USA) 1921 – 1930 1977 – Philip W. Anderson (USA) , • Nevill F. Mott (Großbritannien-und-Nordirland) und John H. van Vleck (USA) 1921 – Albert Einstein (Deutschland) (verliehen 1922) 1978 – Pjotr Kapiza (UdSSR) 1922 – Niels Bohr (D¨anemark) 1923 – Robert Andrews Millikan (USA) Arno Penzias (USA) und Robert Woodrow Wilson (USA) 1924 – Karl Manne Siegbahn (Schweden) (verliehen 1925) 1979 – Sheldon Glashow (USA), Abdus Salam (Pakistan) und 1925 – James Franck (Deutschland) und Steven Weinberg (USA) Gustav Hertz (Deutschland)(verliehen 1926) 1980 – James Cronin (USA) und Val Fitch (USA) 1926 – Jean Baptiste Perrin (Frankreich) 1927 – Arthur Holly Compton (USA) und Charles Thomson Rees Wilson (Großbritannien-und-Nordirland) • 1981 – 1990 1928 – Owen Willans Richardson (Großbritannien-und-Nordirland) (verl. 1929) 1929 – Prince Louis Victor de Broglie (Frankreich) 1981 – Nicolaas Bloembergen (USA) und Arthur L. Schawlow (USA) 1930 – Chandrasekhara Venkata Raman (Indien) Kai Manne Siegbahn (Schweden) 1982 – Kenneth G. Wilson (USA) 1983 – Subrahmanyan Chandrasekhar (USA) • 1931 – 1940 William A. Fowler (USA) 1931 nicht verliehen 1984 – Carlo Rubbia (Italien) und Simon van der Meer (Niederlande) 1932 – Werner Heisenberg (Deutschland) (verliehen 1933) 1985 – Klaus von Klitzing (Deutschland) 1933 – Erwin Schr¨odinger (Osterreich)¨ und 1986 – Ernst Ruska (Deutschland) Paul A. M. Dirac (Großbritannien-und-Nordirland) 98 Æ 22 1934 nicht verliehen Gerd Binnig (Deutschland) und Heinrich Rohrer (Schweiz) 1987 – Johannes Georg Bednorz (Deutschland) und Karl Alex M¨uller (Schweiz) 1935 – James Chadwick (Großbritannien-und-Nordirland) 1988 – Leon Max Lederman (USA), Melvin Schwartz (USA) und ¨ 1936 – Victor F. Hess (Osterreich) Jack Steinberger (USA) 1989 – Wolfgang Paul (Deutschland) Carl David Anderson (USA) und 1937 – Clinton Davisson (USA) Hans Georg Dehmelt (USA) George Paget Thomson (Großbritannien-und-Nordirland) 1938 – Enrico Fermi (Italien) Norman Foster Ramsey (USA) 1939 – Ernest O. Lawrence (USA) 1990 – Jerome I. Friedman (USA), Henry W. Kendall (USA) und 1940 nicht verliehen Richard E. Taylor (Kanada) • 1941 – 1950 • 1991 – 2000 1941 nicht verliehen 1991 – Pierre-Gilles de Gennes (Frankreich) 1942 nicht verliehen 1992 – Georges Charpak (Frankreich) 1943 – Otto Stern (USA) (verliehen 1944) 1993 – Russell A. Hulse (USA) und Joseph Hooton Taylor Jr. (USA) 1944 – Isidor Isaac Rabi (USA) 1994 – Bertram N. Brockhouse (Kanada) und Clifford Glenwood Shull (USA) 1945 – Wolfgang Pauli (Osterreich)¨ 1995 – Martin L. Perl (USA) 1946 – Percy W. Bridgman (USA) Frederick Reines (USA) 1947 – Edward Victor Appleton (Großbritannien-und-Nordirland) 1996 – David M. Lee (USA), Douglas D. Osheroff (USA) und 1948 – Patrick Maynard Stuart Blackett (Großbritannien-und-Nordirland) Robert C. Richardson (USA) 1949 – Hideki Yukawa (Japan) 1997 – Steven Chu (USA), Claude Cohen-Tannoudji (Frankreich) und 1950 – Cecil Powell (Großbritannien-und-Nordirland) William D. Phillips (USA) 1998 – Robert B. Laughlin (USA), Horst Ludwig St¨ormer (Deutschland) und 1951 – 1960 Daniel Chee Tsui (USA) • 1999 – Gerardus t’ Hooft (Niederlande) und Martinus J.G. Veltman (Niederlande) 1951 – John Cockcroft (Großbritannien-und-Nordirland) und Ernest Thomas Sinton Walton (Republik-Irland) 2000 – Schores Alfjorow (Russland) und Herbert Kroemer (Deutschland) 1952 – Felix Bloch (USA) und Edward Mills Purcell (USA) Jack S. Kilby (USA) 1953 – Frits Zernike (Niederlande) 1954 – Max Born (Deutschland) Walther Bothe (Deutschland) • 2001 – 2004 1955 – Willis Eugene Lamb (USA) 2001 – Eric A. Cornell (USA), Wolfgang Ketterle (Deutschland) und Polykarp Kusch (USA) Carl E. Wieman (USA) 2002 – Raymond Davis Jr. (USA) und Masatoshi Koshiba (Japan) 1956 – William B. Shockley (USA), John Bardeen (USA) und Walter H. Brattain (USA) Riccardo Giacconi (USA) 1957 – Chen Ning (Volksrepublik-China) und 2003 – Alexei Abrikossow (Russland), Witali Ginsburg (Russland) und Tsung-Dao Lee (Volksrepublik-China) Anthony James Leggett (Großbritannien-und-Nordirland) 1958 – Pawel Tscherenkow (UdSSR), Ilja Frank (UdSSR) und 2004 – David Gross (USA), David Politzer (USA) und Frank Wilczek (USA) Igor Tamm (UdSSR) 1959 – Emilio Segre’ (USA) und Owen Chamberlain (USA) 1960 – Donald A. Glaser (USA) Dipole Breathing oscillations of a one-dimensional Bose-Einstein condensate Bose-Einstein condensate: momentum distribution of ultracold bosonic atoms D.M. Harber et al, Phys. Rev. A to be published generate laser light Vacuum chamber for atom cooling, surrounded by trapping and optical elements manipulation and magnetic coils P(o) Æ x, x`, y, y` Æ ε target neutral particle scintillator S1 detector COSY dipole ~1m scintillator S3 K+ Cerenkov drift chambers counter p - K pp ® ppK+K- dipole silicon pads + scintillator silicon pads + scintillator target beam ~1m hexagonal drift chamber drift chambers K+ p p scintillator S1 no cooling stochastic cooling 200 100 spilltime 60 min. eventrate /s 0 30 60 90 120 [minutes] 2 10 total cross section 10 IUCF elastic [mb] + d π first: σ 1 50 0 pp pp π -1 40 10 b) µ 30 2 ( -2 pp η η 10 tot / 20 σ + -3 pK Λ 10 10 pp η ´ 0 -4 + 0 0.2 0.410 0.6 pK Σ η (= pπ ,max /m π c) -5 10 + - ppK K -6 COSY 10 -7 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 P [GeV/c] beam 250 300 p p → p p X 2 2 250 200 200 150 150 100 100 events / 0.5 MeV/c events / 0.5 MeV/c 50 50 0 0 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 0.945 0.95 0.955 0.96 0.965 missing mass [ GeV/c2 ] missing mass [ GeV/c2 ] phase space (arb. norm.) + pp FSI + ph FSI aph = +0.7fm + i 0.4fm 4 10 rph = -1.5fm - i 0.24fm (A.M.Green, S.Wycech, PR C55 (1997) R2167) 3 10 pp → ppη [nb] σ 2 10 10 pp → ppη′ 2 11010 Q[MeV] 40 30 p p Λ Λ 20 1.771 GeV/c 10 0 6 p p Λ Σ 0 + c c 4 1000 14 MeV b/sr] 25 MeV µ 39 MeV [ 1.771 GeV/c 73 MeV p p Λ Λ Ω 2 ] 92 MeV /d σ 2 118 MeV d 141 MeV 170 MeV 0 100 196 MeV b / (GeV/c) µ 1 p p Σ + Σ+ /dt’ [ σ d 1.922 GeV/c 10 0,5 cos θ cm > -.8 0 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 -1 -0,50 0,5 1 t’ [(Gev/c) 2] cos θ [CM] Λ 12 10 p+p Λ+Λ 8 b] µ 6 [ σ 4 2 1000 0 01234567 Excess energy [MeV] pp ΛΛ 100 10 pp Σ + Σ+ b σ [µ ] 1 0 pp ΛΣ + cc pp Σ - Σ- 0.1 0.01 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 Momentum [GeV/c] p 1,5 pp Σ0 Λ y pp Λ Λ Λ S = 0 θ 1 x p z 0,5 p θ* p y Λ Singlet Fraction 0 S = 1 θ* Λ -0,5 0 50 100 150 200 Excess energy [MeV] z x Λ Polarisation t’ [(GeV/c) ] 2 Excess energy [MeV] Kent D. Paschke CMU MEX QG: SF= const. = 0 SF : p + p Λ Λ SF = 0 SF = 1 Kent D. Paschke CMU QG QG MEX MEX Dnn ( = 1) Knn ( = 1) p + p Λ Λ p + p Λ Λ MEX --> tensor interaction --> spin flip --> Dnn and Knn negativ QG --> minor tensor interaction --> smaller and positive Dnn and Knn p p Λ Λ θp C π− π+ P CP π− π+ Λ Λ p p direct CP violation test: I(θ ) = I (1 + α P cos θ ) θ α θ y 0 y I( y0) = I (1 + P cos y ) P = P α + α Α = = 0.006 ± 0.014 A = (α + α) / (α α− − α α) = 0.006 +- 0.014 first H - production and - detection at LEAR99 p 99 "trace" p 23,300 ∆E Xe Target Te+ 94 normalized deflection [mm] H° e+ e- γγ 19.7 +/- 0.6 11 exit window for time of flight [ns] neutral particles + e p H.